На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы - Довид Ласерна

Рождение квантовой механики вызвало напряженность в научном мире, поскольку открытие противоречило привычным подходам. Однако благодаря коллективной работе ряда известных ученых, трудившихся в двух научно-исследовательских центрах — Копенгагене и Гёттингене,— квантовая механика получила признание. В число ее адептов вошли Нильс Бор, Вернер Карл Гейзенберг, Макс Борн, Вольфганг Паули и Паскуаль Йордан. К ним также можно добавить Поля Дирака из Кембриджа. В отличие от этой плеяды, Шрёдингер, как и Эйнштейн, работал в одиночестве:

«В научной деятельности, как и вообще в жизни, я никогда не придерживался какой-либо генеральной линии, не следовал руководящей программе, рассчитанной на длительные сроки. Хотя я очень плохо умею работать в коллективе, в том числе, к сожалению, с учениками, мои труды никогда не были совершенно самостоятельными, поскольку мой интерес к какому-либо вопросу всегда зависит от интереса, проявляемого к этому же вопросу другими»[1 Перевод А. С. Доброславского.].

Хотя Шрёдингер не основал ни одной школы и не собрал вокруг себя последователей, он написал одно из самых вдохновляющих научных произведений XX века — сборник «Что такое жизнь?», куда вошел цикл его лекций, прочитанных в Тринити-колледже в Дублине в 1943 году. Эта книга убедила целое поколение ученых в том, что физика содержит уникальные возможности для изучения живых существ. Шрёдингер предвидел структурные особенности, выражающиеся в том, что наследственность связана с хромосомами, и вывел современную концепцию генетического кода.

Одна из наиболее выдающихся частей наследия Шрёдингера имеет отношение к его языку, к его способности находить для описания экспериментальных ситуаций яркие образы, которые сразу же подхватывают даже его научные оппоненты. Например, все знают о коте, который носит имя ученого и стал символом загадок квантовой механики. Судьба животного, запертого в стальной камере, зависит от ядерного распада. Когда ядро расщепляется, высвобождается токсичный газ, убивающий кота. Зафиксировать этот момент, по законам физики, нельзя, возможно лишь дать вероятностное описание эксперимента. Пока камера не открыта, распад одновременно происходит и не происходит. Кот, подвешенный в этом невероятном состоянии между жизнью и смертью, является вызовом, испытанием, которое должна пройти каждая интерпретация теории. Шрёдингер также способствовал расширению научного лексикона, введя термин «запутанность» для обозначения, вероятно, наиболее загадочного явления квантовой механики.

Он сам лучше, чем кто-либо, в нескольких словах изложил достоинства и недостатки своей работы: «Я пропустил красоту вперед науки». Эта эстетическая концепция — один из самых пленительных и ярких образов, связанных с областью атомов. Поль Дирак говорил, что испытывает ту же слабость: «Из всех физиков, которых я знаю, мне кажется, Шрёдингер больше всего похож на меня [...]. Думаю, это потому, что мы оба безнадежно увлечены математической красотой, которая и определяет нашу работу».

Технически квантовая механика является одной из самых продуктивных научных теорий. В каждом устройстве с интегральной схемой, будь то компьютер, сотовый телефон или МРЗ-плеер, бьется квантовое сердце. Это же справедливо для магнитного резонанса, сверхпроводников, лазеров и электронных микроскопов. Гейзенберг, Борн, Йордан и Шрёдингер завершили математическую модель теории в 1920-е годы, однако ее влияние на наше понимание мира обсуждается до сих пор. Многие ученые, привыкшие к большей конкретности, считают, что философские вопросы как минимум второстепенны, но их оппоненты видят в таком подходе немалую привлекательность. Маловероятно, что разногласия в интерпретации теории можно преодолеть, но сами поиски красоты в построении научных теорий, свойственные Шрёдингеру, будут вдохновлять следующие поколения физиков.

1887 Родился Эрвин Шрёдингер, единственный сын Рудольфа Шрёдингера и Георгины Бауэр. Это произошло в Вене 12 августа.

1898 Поступил в академическую гимназию Вены, где получил хорошее гуманитарное образование.

1910 Получил степень доктора в Венском университете, защитив диссертацию на тему «Электрическая проводимость на поверхности изоляторов во влажном воздухе». Целью работы было улучшение изоляции научного оборудования, подвергающегося воздействию коррозии.

1914-1918 Участвовал в Первой мировой войне в звании лейтенанта артиллерии на итальянском фронте.

1920 Вступил в брак с Аннемари Бертель. Покинул Вену, чтобы занять пост ассистента в Йенском университете.

1921 Назначен штатным преподавателем теоретической физики в Цюрихском университете.

1926 Сформулировал знаменитое уравнение, носящее его имя, и обосновал свою волновую версию квантовой механики в шести статьях. В них ученый также продемонстрировал математическую эквивалентность своего подхода и матричной механики Гейзенберга.

1927 Стал преемником Планка на кафедре теоретической физики в Берлинском университете.

1933 Оставил Германию из-за усиления влияния нацистов и начал работу исследователем-стипендиатом в в колледже святой Магдалины в Оксфорде. В ноябре этого же года узнал о присуждении ему Нобелевской премии по физике совместно с Полем Дираком.

1935 Опубликовал статью «Современное состояние квантовой механики», в которой представил парадокс кота и ввел термин «запутанность».

1936 Вернулся в Австрию, чтобы занять пост профессора в университете Граца.

1938 После аннексии Австрии Германией эмигрировал в Оксфорд.

1939 Переехал в Дублин. В следующем году начал работу в недавно созданном Дублинском институте высших исследований.

1944 Опубликовал одну из наиболее важных работ XX века в области популяризации науки — «Что такое жизнь?».

1956 Вернулся в Вену после почти 17 лет пребывания в Дублине.

1961 Умер в Вене в возрасте 73 лет. Это произошло 4 января.

Глава 1

Свет и материя

В конце XIX века физика развивалась вокруг двух революционных теорий: механической и статической интерпретации термодинамики и электродинамики Максвелла. С помощью этих двух теорий ученые попытались решить новую задачу: объяснить связь между светом и материей.

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер родился 12 августа 1887 года в Вене. В эпоху Возрождения биографии обычно начинались с описания положения звезд в момент рождения, но в случае Шрёдингера нет нужды выискивать на небосклоне благоприятные знаки. Можно сказать, что сама наука склонилась над колыбелью мальчика. Дед Шрёдингера, Александр Бауэр, преподавал химию в университете, и только потеря глаза во время эксперимента положила конец его исследовательской деятельности. Однако наука стала причиной встречи будущих родителей ученого: его отец, Рудольф Шрёдингер, студент Александра в Высшей технической школе в Вене (ныне Технический университет), ухаживал за одной из его дочерей, Георгиной Бауэр. Пара поженится в 1886 году. Наверняка ни отец, ни дед Эрвина не могли и мечтать о том, что их отпрыск с помощью одного уравнения объяснит всю известную им химию.

Рудольф унаследовал небольшое семейное предприятие — фабрику по производству клеенки, что обеспечивало семье безбедное существование вплоть до поражения Австро-Венгрии в Первой мировой войне и последовавшего банкротства. Впрочем, это наследство таило в себе толику яда, потому что ради того, чтобы возглавить предприятие, Рудольф отказался от своих настоящих интересов — итальянской живописи, воеточной керамики и изучения филогенеза. Шрёдингер утверждал, что его родители стояли у истоков двух величайших страстей в его жизни — тяги к знаниям и к красоте, которую воплощал мир женщин:

«Для растущего сына [мой отец] был другом, учителем и неутомимым собеседником, третейским судьей по любому вопросу, достойному внимания [...]. Помимо этого, я думаю, что [своей матери] я обязан уважением к женщинам».

Его бабушка по материнской линии носила фамилию Рассел и имела англосаксонские корни. Минни, одна из теток Шрё- дингера, считала своим долгом сохранить британские гены даже на территории Австрии. Так, она учила племянника языку Шекспира, читая ему книги с библейскими историями, — и это еще до того, как он научился писать по-немецки. Не отставала от сестры и мать: Георгина установила особые дни, когда сын должен был разговаривать исключительно по-английски. Все эти знания очень пригодились Эрвину спустя несколько десятилетий, когда нацистская волна обрушилась на его родину.

Хотя я был вынужден покинуть родную землю, но никогда не чувствовал себя чужаком в чужой стране.